浙大团队研发可制冷可保温可发电的热管理微纳织物

　　一件衣服，可度夏冬！夏天穿凉快，冬天穿暖和，你要做的只是正反面换着穿。如果真有这样的衣服，你会不会立马加入购物车？并且，这件衣服还能发电，有望给戴在手腕上的可穿戴设备供电。这些并非想象，而是中国科学家的最新研究成果。
　　4月23日，浙江大学光电学院李强教授、与西湖大学工学院仇旻教授组成的合作团队，研发出一款室外人体热管理微纳织物（下称微纳织物）。
　　可能你听说过能散热、或者能保暖的智能衣服，它们往往价格昂贵、笨重且易碎，甚至多数需要外部电源。本次研发的微纳织物，不仅实现了室外同时散热和保温，而且使用铜、锌、铝以及聚乙烯（常用于厨房保鲜膜）等常见材料，成本也得以降低。
　　研究中，李强使用双层微纳光学织物的非对称光学特性，实现了只需对织物进行翻转，就能在散热和保温两种模式之间切换的、全天候室外个人热管理功能。同时，皮肤和织物之间的温差，还可用于热发电，这能给被动的个人热管理、以及可穿戴电子器件的供能难题，提供新的解决办法。
　　事实上，人类之所以发明织物，是为了适应不同的外界环境温度。比如常见的天冷加衣服、和天热减衣服。从人体和外界交换热量的途径来看，以上方式主要是对热传导和热对流的控制，在面对复杂极端的外界环境，如暴雪天气时，仍存在效率较低等问题。
　　微纳光学的发展，也让通过热辐射途径来调控人体和外界的热交换的方法，开始受到越来越多的关注。
　　而人体是一个温度为37℃的辐射源，其热辐射峰值波长在10μm附近，这对应着大气透过窗口，辐射散热约占人体全部热耗散的65%。此前的研究多数集中在室内个人热管理，室外个人热管理则鲜少有人涉足。
　　主要原因有三：其一，室外人体辐射损耗更高，以0.6mm的厚棉为例，室外辐射损耗是室内辐射损耗4倍，因此前者保温难度更高；其二，室外太阳是5500℃的黑体辐射源，其将织物加热后，散热难度更高；其三，室外温度变化范围更大，且无法借助空调等手段调控个人热管理。多年来，该团队一直在用微纳光学结构，协同调控织物的太阳光谱特性与红外辐射特性。此前他们曾基于纳孔聚乙烯/金属/介质复合结构，制备出一种多彩超薄的可穿戴室外个人保温织物并发表在Nano Energy。
　　基于此前研究，他们开始研究兼具散热和保温双功能的室外可穿戴织物，并制备出这种具有非对称光学特性的微纳织物。
　　正面散热，反面保温，效果远超普通棉衣
　　通过织物结构图我们了解到，中间一层是带有纳米孔的铝，铝上面是一种名为ePTFE的有机材料，该材料主要用在防水透气织物（如Gore-tex）上；最上层是PMMA，它也是一种有机材料，其中多孔的PMMA涂层涂覆在ePTFE上；铝下面的nPE就是纳孔聚乙烯（通常用作电池隔膜），该纳孔聚乙烯仅有16μm厚度，大约是头发丝粗细的四分之一，由于纳米孔的存在，聚乙烯膜具有优良的透水汽性能；最下面有一些纳米颗粒，主要包含金属锌和金属铜，可用于保温。
　　据李强介绍，织物整体厚度只有约0.3mm，比普通的T恤（约0.5mm）还要薄。也就是说，上层用于散热，下层用于保温。冬天或者夜间需要保温，就把黑色的下层穿在外边；夏天或者白天需要散热，就把白色的上层穿在外边。
　　它的散热面，采用喷涂多孔PMMA的ePTFE布，好处是可以增强辐射散热，其辐射率为0.87，此外还能高效散射太阳辐射能量，其漫反射率大约为0.91。
　　它的保温面采用沉积锌、铜纳米颗粒多孔聚乙烯，好处是可以抑制辐射散热（辐射率0.16）、并高效吸收太阳辐射能量（吸收率> 0.8）。
　　在室外情况下，该团队同时考虑了太阳和人体这两种辐射体的波段、以及保温和散热两种功能。而且每一个功能，对于波段的要求完全相反。也就是，保温时尽可能吸收太阳光，并将人体热辐射反射回皮肤，散热时尽可能散射太阳光，同时高效地将人体热辐射散到外界环境中。
　　基于此，他们通过双层微纳织物的非对称光学特性，实现只需翻转织物，就自由切换保温模式和散热模式。为测试微纳织物的性能，在两种模式下，分别对比1mm厚黑棉和0.5mm厚白棉。
　　结果发现，在白天太阳照射的保温模式下，相比黑棉，微纳织物能让模拟皮肤升温约8.1℃；而在白天太阳照射的散热模式下，相比白棉，微纳织物能让模拟皮肤降温约6℃；在晴朗夜晚的保温模式下，相比白棉，微纳织物可将模拟皮肤温度提高3℃。
　　通过两种模式的切换，模拟皮肤能保持在舒适的温度范围，室外极端温度环境下个体温度的管理，也将照进现实。
　　关于发电李强表示，所有热发电都有要温度差，把热电材料放在两个有温度差的物体中间，就能将热能转化成电能。基于微纳织物的局部温度调控性能，在织物内表面、与皮肤之间嵌入热电模块方式，即可实现全天候电产生。
　　正午时，在保温模式下，微纳织物覆盖下的热电模块生电效率可达69mW M^-2 ；夜间，在散热模式下，微纳织物覆盖下的热电模块生电效率达到约24mWM^-2。
这样的输出功率可为部分低功耗可穿戴电子器件供电，比如，一条耳机需要的输入功率大概为几mW。
　　在白天太阳光照射下，朝向外界的保温面，正在吸收太阳光加热热电模块的热端。此外，有两根电线从织物下引出来，这样就能把电流引出来并进行使用，比如给血糖仪、血压计等可穿戴设备供电。
　　防水透汽，皮肤触感和正常衣服一样
考虑人体穿着的舒适性，织物还需要有良好的透水汽性能。故此，该团队在微纳织物制备过程中也充分考虑到这一点，并选择使用多孔的nPE和ePTFE作为主要材料。
　　他们还用扫描电子显微镜观察了织物的微观结构，织物表面广泛分布着微纳孔结构，孔隙均远大于水汽分子的直径，因而可以保证水汽在织物内部畅通无阻。
　　同样，和普通衣服作对比，在透水汽性能测试中，他们发现这种微纳织物的水汽透过率（WVTR）和棉基本相同。
　　同时，由于对微纳织物表面做了超疏水处理，其水滴接触角大约为147°。因此，在保温模式工作下，该织物能够有效防止水滴的吸附，以及有效杜绝雨水润湿后蒸发导致热损耗，从而避免保温性能下降。
　　在织物拉伸性能上，李强表示：“之前对我们组Nano Energy论文中只有保温功能的彩色微纳织物，进行了拉伸特性测试，结果发现它和棉的拉伸特性相当，即拉伸30%才会断裂。本次论文中，虽然我们没有测量拉伸特性，但是其拉伸特性比上面的更好，因为我们基于此前的保温工作，给织物增加了散热功能，层数也有所增加，因此抗力学拉伸能力更强。”
　　亦有望用于建筑热管理
未来，这种织物做成的衣服，适合新疆这些昼夜温差较大的地方，白天把散热面穿在外边，晚上把保温面穿在外边。那么在昼夜温差较大、或者四季温差较大的地方，即可实现一件轻薄的衣服同时可以过昼夜或者过冬夏。
　　清洁方面，这种衣服可以采用机洗方式，研究团队在实验中做过十次水洗实验，每次机洗一小时，十次之后性能依然保持不变。
　　研究中，该团队分别采用缝合和冷压两种方式，制备出了两张10cmx10cm的织物。因为制备时涉及到磁控溅射镀膜，所以实验室镀膜样品的尺寸会受到限制，如果是工业卷对卷镀膜或是电化学镀膜，就能做更大面积的制备。
　　除用于制衣之外，这种织物还可用于建筑物的热管理、红外伪装等。谈及成本，李强表示：“我们采用的材料都是日常生活中随处可见的金属与聚合物，这里面没有一个贵的。”
　　据悉，这种织物的制造工艺，可兼容现有的纺织工业，将在未来进行大规模生产。到那时，你的衣柜或许会多一件真正冬暖夏凉的衣服。（麻省）